【知識目標】
了解細菌和病毒的一般特征及其在遺傳研究中的意義。
深刻理解噬菌體及細菌遺傳分析方法和原理。
【技能目標】
掌握E.coli感受態細胞的製備和轉化方法。
【知識點】
噬菌體及細菌遺傳分析方法和原理;F因子的特點;細菌進行遺傳物質交流的方式。
細菌和病毒的遺傳
▲案例導入
細菌和病毒的結構及其遺傳特點，使它們成為遺傳學研究的好材料。遺傳學中的基因重組、基因精細結構、遺傳轉化和基因工程等研究，都是首先通過細菌和病毒進行的。通過對細菌質粒和噬菌體DNA的研究，逐步發展形成的重組DNA技術，現已廣泛應用於生物學研究的各個領域。經過改良的大腸杆菌細胞，早已用於工業基因工程，生產人類需要的重要蛋白質。
10.1細菌和病毒遺傳研究的意義
細菌屬於原核生物，無核膜和線粒體等細胞器。由於它們是單倍體，沒有減數分裂，所以不顯示孟德爾遺傳。它們的基因可以重組，但其染色體傳遞和重組方法與真核生物不盡相同。病毒是一類比細菌還小的、具有感染活性的生物體，其體內隻有一條染色體，無細胞結構，專性寄生於活細胞體內。
遺傳學的研究從細胞水平時代進入到分子水平時代，基於兩個重要的原因：一是化學家和物理學家對基因的化學和物理結構的了解日趨深化；二是研究材料采用了新的生物類型——細菌和病毒。所以，有必要簡要介紹和了解細菌和病毒的遺傳。
10.1.1細菌
細菌是原核生物，細胞結構包括細胞壁、細胞膜、細胞質和擬核，具有間體、核糖體，沒有明確的核膜和線粒體、葉綠體等細胞器。部分細菌還有某些特殊結構，如鞭毛、傘毛、莢膜、芽胞、氣泡等。細菌的大小隨不同種類而異，例如大腸杆菌（E.coli）長1～3um，寬0.5um；枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）長2～3um，寬0.7～0.8um。
由於其遺傳簡單且獨特，成為遺傳學研究從細胞水平到分子水平跨越的最重要試驗材料之一。近年來，遺傳學許多重大的發現都是采用細菌作為材料的。所以，細菌在遺傳學研究上占有十分重要的地位。
細菌生長速度快，周期短，在適宜條件下繁殖迅速，一般20min分裂一次。
在固體培養基上由單細胞分裂繁殖形成的菌落質粒（plasmid）是細菌染色體以外的環狀DNA分子，根據它們攜帶的基因和在宿主細胞中顯示的特性，已有5種質粒被鑒定，分別為抗性質粒（R）、致育質粒（F）、Col質粒、降解質粒和毒力質粒。
質粒的結構質粒能獨立於染色體存在和複製，還能在細胞間傳遞。有的質粒也能整合到細菌染色體中成為染色體的一部分，在染色體的控製下隨染色體一起複製，這類質粒稱為附加體。
細菌可產生多種突變，如菌落形態突變、生化突變、抗性突變等。菌落形態突變，主要涉及菌落的大小、光澤、顏色、透明度等。生化突變是指一類喪失合成某種營養物質能力的營養缺陷型（auxotrophic），它們不能在基本培養基上生長和形成菌落，除非在基本培養基上補加它們所缺少的營養物質。能在基本培養基上生長的野生型菌株稱為原養型（prototrophic）。抗性突變主要是指對某種藥物產生抗性的抗藥性突變，以及不受某種病毒感染的抗感染性突變等。
細菌染色體形狀和數目質粒類型和數目根癌土壤杆菌，（Agrobacteriumtumefaciens）1個線狀（2.1Mb）和1個環狀（30Mb）2個環狀（450kb+200kb）枯草芽孢杆菌，（Bacillussubtilis）蘇雲金芽孢杆菌，（Bacillusthuringiensis）馬爾他布魯菌，（Brucellarmelitensis）大腸杆菌，（Escherichiacoli）K121個環狀（4.2Mb）1個環狀（5.7Mb）2個環狀（2.1Mb+1.2Mb）1個環狀（4.6Mb）6個（每個>50kb）苜蓿根瘤菌，（Rhizobiummeliloti）2個環狀（3.4Mb+1.7Mb）1個環狀巨大質粒（1400kb）10.1.2病毒，病毒（virus）是由一個核酸分子（DNA或RNA）與蛋白質構成的非細胞形態的、靠寄生生活的生命體。它實際上就是由一個保護性的外殼包裹的一段DNA或者RNA，借由感染的機製，這些簡單的生物體可以利用宿主的細胞係統進行自我複製，但無法獨立生長和複製。病毒可以感染幾乎所有具有細胞結構的生命體。依其遺傳物質的性質，可以將病毒分為單鏈DNA病毒、單鏈RNA病毒、雙鏈DNA病毒和雙鏈RNA病毒4種類型。病毒按其感染的宿主種類，可分為動物病毒、植物病毒、細菌病毒、真菌病毒等。
在微生物界，同樣存在類似動植物界的食物鏈關係。“捕食”細菌的生物，正是科學家們研究微生物的一種強有力的工具——噬菌體（Phage）。噬菌體是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的細菌病毒的總稱，作為病毒的一種，噬菌體具有病毒特有的一些特性：個體微小；不具有完整細胞結構；隻含有單一核酸。噬菌體基因組含有許多個基因，但所有已知的噬菌體都是在細菌細胞中利用細菌的核糖體、蛋白質合成時所需的各種因子、各種氨基酸和能量產生係統來實現其自身的生長和增殖。一旦離開了宿主細胞，噬菌體既不能生長，也不能複製。
噬菌體分布極廣，凡是有細菌的場所，就可能有相應噬菌體的存在。在人和動物的排泄物或汙染的井水、河水中，常含有腸道菌的噬菌體。在土壤中，可找到土壤細菌的噬菌體。噬菌體有嚴格的宿主特異性，隻寄居在易感宿主菌體內，故可利用噬菌體進行細菌的流行病學鑒定與分型，以追查傳染源。由於噬菌體結構簡單、基因數少，是分子生物學與基因工程的良好實驗係統。
因為噬菌體主要由蛋白質外殼和核酸組成，所以，可以根據蛋白質外殼或核酸的結構特點對噬菌體進行分類。根據蛋白質結構可分為：
①無尾部結構的二十麵體：這種噬菌體為一個二十麵體，外表由規律排列的蛋白亞單位——衣殼組成，核酸則被包裹在內部。
②有尾部結構的二十麵體：這種噬菌體除了一個二十麵體的頭部外，還有由一個中空的針狀結構及外鞘組成的尾部，以及尾絲和尾針組成的基部。
③線狀體：這種噬菌體呈線狀，沒有明顯的頭部結構，而是由殼粒組成的盤旋狀結構。
（a）線狀體;（b）無尾結構的二十麵體;（c）有尾結構的二十麵體根據核酸特點可分為：
①ssRNA：噬菌體中所含的核酸是單鏈RNA。
②dsRNA：噬菌體中所含的核酸是雙鏈RNA。
③ssDNA：噬菌體中所含的核酸是單鏈DNA。
④dsDNA：噬菌體中所含的核酸是雙鏈DNA。
10.1.3細菌和病毒在遺傳研究的意義
細菌和病毒作為遺傳研究材料的優越性，可歸納為：
（1）世代周期短
每個世代以分鍾或小時計算。例如，大腸杆菌每20min可繁殖一代，病毒每小時可繁殖數百個後代。因此，將它們培養1d，便可在固體培養基中得知結果，大大縮短了實驗周期。
（2）易於管理和進行化學分析
因一支試管可以儲存數以百萬計的細菌和病毒，操作管理方便，可大量節省空間和培養工作所需的人力、物力和財力。在基因作用的研究上，常需要對代謝產物或基因本身進行化學分析，而細菌代謝旺盛，繁殖又快，可在短期內累積大量產物，為化學分析提供了條件。
（3）便於研究基因的突變
細菌和病毒屬於單倍體，所有突變都能立即表現出來，不像真核二倍體生物那樣，有顯性掩蓋隱性的問題。在通常情況下，基因突變的頻率很低，但在快速繁殖的細菌和病毒中很容易檢出，如篩選抗藥性突變，隻需在培養基中加入相應的抗生素就能達到這一目的。
（4）便於研究基因的作用
細菌可以生活在基本培養基上，而那些喪失合成某營養物質的突變體，則必須添加這類物質才能生長。用在基本和補充兩種培養基上進行的影印培養，很容易從供試菌細胞中檢出營養缺陷型，有利於從生化角度來研究基因的作用。
（5）便於基因重組的研究
細菌的轉化、轉導和接合作用，在一支試管中可以產生遺傳性狀不盡相同的子代，這些子代的遺傳重組型可用於精密的遺傳學分析。雖然重組頻率不高，但利用營養缺陷或抗藥性等標記，不難從億萬個供試細菌細胞中選出基因重組的突變株。
（6）便於用作研究基因結構、功能及調控機製的材料
細菌和病毒的遺質物質簡單，一般具有比高等生物少得多的遺傳信息。因而，其基因的定位、結構分析及其分離均易於進行。基因的表達和調控也可用生理生化及其他方法進行深入的研究，可以為進一步深入研究高等生物的遺傳機製奠定基礎。
（7）便於進行遺傳操作
由於沒有組蛋白及大量其他蛋白的結合，所以細菌和病毒的染色體更適宜用於遺傳工程的操作。細菌質粒和病毒作為載體，已成為高等動植物分子遺傳學研究和生物工程的重要工具。
10.2細菌的遺傳分析
10.2.1轉化
轉化（transformation）是指某些細菌（或其他生物）能通過其細胞膜攝取周圍提供的染色體片段，並將這些外源DNA片段通過重組，整合到自己染色體組的過程。隻有當被整合的DNA片段產生新的性狀表現型時，才能測知轉化的發生。
轉化首先由格裏費斯（F.Griffith，1928）在肺炎鏈球菌中發現。轉化是細菌交換基因的方法之一。雖然在其他微生物中也發現了自然轉化現象，但研究較深入的仍然是細菌。
1）自然轉化
如果不用特殊的化學方法或點擊處理，大多數細菌都不能有效地吸收DNA分子。通常將不經特殊處理的細菌細胞從其環境中吸收外來DNA的過程，稱為自然轉化。能進行自然轉化的細菌，包括革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌。